一種基于fpga的嵌入式數(shù)字控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是一種基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器及其控制方法，屬于基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器及其控制方法的創(chuàng)新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著用戶對數(shù)控加工精度要求的提高，以及機器視覺技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成熟，使用機器視覺跟蹤加工，測量軌跡加工誤差，進行在線誤差補償控制的方式正成為提高數(shù)控加工精度一種新手段。然而以工業(yè)PC機為控制核心的數(shù)控系統(tǒng)，其硬件不是針對實時控制設(shè)計的，并不能較好地滿足實時控制需要，也不能實現(xiàn)在線誤差補償控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)加工過程中通過機器視覺跟蹤測量加工軌跡誤差進行在線補償控制，有效地提高數(shù)控加工精度，保證加工質(zhì)量。
[0004]本發(fā)明的另一目的是提供一種基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器的控制方法。本發(fā)明控制簡單方便。
[0005]本發(fā)明的目的通過采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn):
本發(fā)明的基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器，包括嵌入式多核控制系統(tǒng)、信號檢測模塊、視覺跟蹤模塊、脈沖輸出光電隔離模塊、模擬控制模塊，信號檢測模塊的輸出端及視覺跟蹤模塊的輸出端分別與嵌入式多核控制系統(tǒng)的輸入端連接，嵌入式多核控制系統(tǒng)的輸出端分別與脈沖輸出光電隔離模塊的輸入端及模擬控制模塊的輸入端連接，脈沖輸出光電隔離模塊的輸出端與伺服驅(qū)動器連接，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機，模擬控制模塊的輸出端與氣泵連接。
[0006]本發(fā)明基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器的控制方法，包括如下過程:
1)系統(tǒng)上電后，由嵌入式多核控制系統(tǒng)通過脈沖輸出光電隔離模塊向伺服驅(qū)動器輸出插補脈沖控制機床的X，Y軸回原位運動，并通過信號檢測模塊輸入原位信號到32位RISC軟核處理器，直到機床的X軸、Y軸移動到原點位置；
2)視覺跟蹤模塊通過攝像頭獲取實時加工軌跡視頻，視頻解碼器在完成加工軌跡視頻信號模數(shù)轉(zhuǎn)換以及RGB、場信號、行信號的分離后通過I2C總線將視頻數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)傳輸接口，然后再將視頻數(shù)據(jù)送到嵌入式多核控制系統(tǒng)內(nèi)的第一 IP核；
3)嵌入式多核控制系統(tǒng)內(nèi)的第一IP核獲取視覺跟蹤模塊傳輸進來的數(shù)據(jù)后進行加工軌跡圖像處理及加工軌跡誤差計算，所得誤差傳給32位RISC軟核處理器，32位RISC軟核處理器對預(yù)加工軌跡進行補償后向第二 IP核發(fā)送預(yù)加工軌跡數(shù)據(jù)，第二 IP核負責(zé)預(yù)加工軌跡數(shù)據(jù)插補脈沖生成，并經(jīng)過脈沖輸出光電隔離模塊4輸出插補脈沖；
4)嵌入式多核控制系統(tǒng)內(nèi)的32位RISC軟核處理器產(chǎn)生模擬PWM信號，經(jīng)過濾波放大電路輸出到電磁閥實現(xiàn)電磁閥的比例控制； 5)加工過程中，嵌入式多核控制系統(tǒng)內(nèi)的32位RISC軟核處理器實時檢測信號檢測模塊輸入的限位信號，當(dāng)機床X軸、Y軸運動超出規(guī)定的行程時，限位信號輸出高電平，此時32位RISC軟核處理器向第二 IP核發(fā)出停止加工軌跡插補脈沖輸出的指令。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案的有益效果是:
1)本發(fā)明配有視覺跟蹤模塊，能夠?qū)壽E加工誤差進行在線補償控制，有效提高加工的精度，保證加工質(zhì)量；
2)本發(fā)明的嵌入式多核控制系統(tǒng)采用FPGA芯片，其內(nèi)在的并行機制決定了它的高速處理能力遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)工控PC機所采用的串行執(zhí)行架構(gòu)。因而能大大提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率。
[0008]3)本發(fā)明將滿足軟硬件可裁剪、實時性強等要求的嵌入式技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合，產(chǎn)生嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，有效地提高數(shù)控加工精度，保證加工質(zhì)量；
4)本發(fā)明的基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器的控制方法控制簡單方便。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器的系統(tǒng)框圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明，附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0011]實施例1
如圖1所示，本發(fā)明的基于FPGA的嵌入式數(shù)字控制器，包括嵌入式多核控制系統(tǒng)1、信號檢測模塊2、視覺跟蹤模塊3、脈沖輸出光電隔離模塊4、模擬控制模塊5，信號檢測模塊2的輸出端及視覺跟蹤模塊3的輸出端分別與嵌入式多核控制系統(tǒng)I的輸入端連接，嵌入式多核控制系統(tǒng)I的輸出端分別與脈沖輸出光電隔離模塊4的輸入端及模擬控制模塊5的輸入端連接，脈沖輸出光電隔離模塊4的輸出端與伺服驅(qū)動器連接，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機，模擬控制模塊5的輸出端與氣泵連接。
[0012]本實施例中，嵌入式多核控制系統(tǒng)I采用Xilinx FPGA XC4VFX12芯片，包括通過Xilinx xps開發(fā)平臺定制的嵌入在FPGA XC4VFX12中的32位RISC軟核處理器11，以及通過Verilog HDL設(shè)計而成第一 IP核12和第二 IP核13。其中32位RISC軟核處理器11負責(zé)系統(tǒng)任務(wù)管理調(diào)度，以及檢測信號檢測模塊2所輸入的信號和向模擬控制模塊5輸出PWM信號，第一 IP核12負責(zé)視覺跟蹤模塊3所輸入的加工軌跡圖像處理及加工軌跡誤差計算，第二 IP核13負責(zé)生成加工軌跡插補脈沖，第一 IP核12的輸出端與32位RISC軟核處理器11輸入端連接，32位RISC軟核處理器11輸出端與第二 IP核13的輸入端連接。Xilinx FPGA XC4VFX12芯片支持6路TTL電平信號輸入，10路0~9000Hz方波信號輸出，I路PWM信號輸出以及I路視頻信號輸入。
[0013]本實施例中，上述信號檢測模塊2包括有霍爾開關(guān)21及光電隔離電路22，霍爾開關(guān)21輸出端與光電隔離電路22的輸入端連接，光電隔離電路22的輸出端與嵌入式多核控制系統(tǒng)I的輸入端連接。
[0014]本實施例中，上述霍爾開關(guān)21由6個霍爾傳感器組成，分別用于機床X軸、Y軸4路限位信號以及X軸、Y軸兩路原位信號的檢測，光電隔離電路22輸出6路TTL電平信號到32位RISC軟核處理器11，光電隔離電路22由3片TLP521-2芯片組成。
[0015]本實施例中，上述視覺跟蹤3包括攝像頭31、視頻解碼器32、數(shù)據(jù)傳輸接口 33，其中攝像頭31的輸出端與視頻解碼器32的輸入端連接，視頻解碼器32的輸出端與數(shù)據(jù)傳輸接口 33的輸入端連接，數(shù)據(jù)傳輸接口 33的輸出端與嵌入式多核控制系統(tǒng)I的輸入端連接。
[0016]本實施例中，上述攝像頭31為一般模擬攝像頭，用于獲取實時加工軌跡視頻，視頻解碼32采用ADV7181C芯片，用于完成加工軌跡視頻信號模數(shù)轉(zhuǎn)換以及RGB、場信號、行信號的分離，數(shù)據(jù)傳輸接口 33采用VK3366芯片，VK3366芯片的主接口為I2C接口。
[0017]本實施例中，上述脈沖輸出光電隔離模塊4由10片6N136芯片組成，光電隔離模塊4的輸出端可同時輸出10路頻率為0~9000Hz的脈沖信號到伺服驅(qū)動器。
[0018]本實施例中，上述模擬控制模塊5包括濾波放大電路51、電磁閥52，其中濾波放大電路51的輸出端與電磁閥52的輸入端連接，電磁閥52的輸出端與氣泵連接。
[0019]本實施例中，上述濾波放大電路51采用運算放大器。上述濾波放大電路51采用